L'ouverture et la rugosité contrôlent la passivation par oxydes de fer dans les fractures d'olivine lors de la minéralisation du carbone

Pourquoi de minuscules fissures dans les roches comptent pour les solutions climatiques

Transformer le dioxyde de carbone en pierre profondément sous terre est l’un des moyens les plus durables d’empêcher ce gaz à effet de serre de retourner dans l’atmosphère. Cette étude examine ce qui se passe à l’intérieur des microfissures d’un minéral volcanique courant, l’olivine, lorsqu’il réagit avec du CO2 sous pression. En observant de près la rugosité des surfaces de fissure et l’ouverture de celles‑ci, ainsi que la largeur des interstices, les chercheurs mettent au jour des détails cachés qui peuvent faire la différence pour l’efficacité de ce processus naturel de verrouillage du carbone.

Enfermer le carbone dans des roches volcaniques

Les ingénieurs étudient comment injecter le CO2 capté dans des formations rocheuses profondes où il peut réagir avec des minéraux et former des carbonates solides, transformant ainsi le gaz en roche. Les basaltes et roches apparentées riches en olivine sont particulièrement prometteurs car ils contiennent du magnésium et du fer, éléments qui forment aisément des carbonates stables. Mais ces roches ne ressemblent pas à de grandes cavernes ; la plupart des flux de fluide et des réactions se produisent dans des fractures étroites. Dans ces fissures sans issue, les fluides riches en CO2 stagnent, créant des conditions idéales pour les réactions minérales — à condition que les surfaces de fissure restent réactives.

Créer des fissures contrôlées pour observer les réactions

Pour comprendre comment la géométrie des fissures contrôle le stockage du carbone, l’équipe a préparé des « fractures » artificielles dans des lames d’olivine forstérique. Chaque fracture comportait un côté rugueux et un côté lisse, et l’écartement entre les deux (l’ouverture) a été réglé avec précision pour être soit relativement petit, soit plus grand, imitant des fissures naturelles étroites ou plus larges. Ces « sandwichs » rocheux ont ensuite été exposés pendant deux semaines à de l’eau chaude et sous haute pression riche en CO2, dans des conditions similaires à celles envisagées pour le stockage industriel. Après l’expérience, les chercheurs ont utilisé des microscopes, la spectroscopie Raman (un outil optique d’identification minéralogique), le profilage de surface et des analyses chimiques des fluides pour cartographier les nouveaux minéraux formés et mesurer l’altération de l’olivine originelle.

La rugosité aide et gêne à la fois

L’équipe a observé un schéma frappant dans les fractures les plus étroites. Les zones rugueuses et lisses ont toutes deux vu se former un carbonate de magnésium, la magnésite, qui est le produit recherché pour piéger le CO2. Toutefois, les surfaces rugueuses favorisaient fortement la formation de revêtements d’oxydes de fer, alors que les zones lisses y échappaient principalement. Ces couches riches en fer font office de peau protectrice : elles recouvrent l’olivine et ralentissent la réaction ultérieure, un phénomène appelé passivation. Les mesures de surface ont montré que les régions lisses dans les fractures étroites perdaient plus de matière au total, ce qui signifie qu’elles continuaient à se dissoudre et à réagir, tandis que les régions rugueuses subissaient moins d’altération, cohérent avec la mise en place d’un blindage. En d’autres termes, une rugosité accrue augmente la surface disponible pour la réaction mais crée aussi des micro‑environnements où des oxydes de fer passivants s’accumulent et étouffent la réaction au fil du temps.

Des fissures plus larges modifient l’équilibre

Quand l’ouverture de la fracture était plus grande, l’influence de la rugosité s’est estompée. Dans ces fissures plus larges, des oxydes de fer sont apparus sur les côtés rugueux et lisses, et les cristaux de carbonate tendaient à être plus gros et plus abondants. La plus grande ouverture a permis un échange plus rapide entre le fluide riche en CO2 en volume et la surface rocheuse, apportant davantage d’espèces réactives et augmentant la concentration globale d’ions dissous. Cet environnement favorisait à la fois la croissance continue des carbonates et la formation généralisée d’oxydes de fer. En conséquence, les fractures larges ont d’abord intensifié la réaction, mais ont aussi promu une passivation plus uniforme sur les surfaces. Des modèles informatiques intégrant une rugosité réaliste et des revêtements ont reproduit ces tendances, montrant que l’augmentation de la surface disponible ne garantit pas une minéralisation du carbone plus rapide ou plus complète si des couches passivantes se forment.

Concevoir un meilleur stockage souterrain du carbone

Pour un non‑spécialiste, le message central est que toutes les fractures rocheuses ne se valent pas pour transformer le CO2 en pierre. De petites différences dans la rugosité des parois de fissure et l’ouverture des fractures peuvent déterminer si les réactions absorbant le carbone se poursuivent ou s’arrêtent derrière un film d’oxyde de fer. Dans les fractures étroites et rugueuses, des carbonates peuvent se former mais être rapidement limités par la passivation. Dans les fractures plus larges, les réactions sont plus vigoureuses mais peuvent aussi ralentir à mesure que les revêtements se propagent. L’étude montre que les futurs projets de stockage du carbone doivent tenir compte de ces détails microscopiques des réseaux de fractures pour prédire combien de CO2 sera effectivement transformé en minéraux sur des échelles de décennies à siècles.

Citation: Yang, Y., Boampong, L.O., Nisbet, H. et al. Aperture and roughness govern iron oxide passivation in olivine fractures during carbon mineralization. Commun Earth Environ 7, 210 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03235-2

Mots-clés: minéralisation du carbone, stockage géologique du carbone, olivine, fractures rocheuses, passivation par oxydes de fer